汽车机罩盖板注塑模具设计

绪论1.1研究背景和意义汽车行业作为国民经济中必不可少的产业，依然走进千家万户的生活中，随着汽车工业的高速发展，汽车工艺材料也在不断进步为应对能源短缺以及尾气排放带来的影响[1]，汽车厂商也朝着清洁能源转型，但对于新能源汽车来说充电时间以及续航问题还面临不小的挑战。在清洁能源还没有完全普及的今天，传统能源依然是主流能源。汽车轻量化在保证汽车强度和安全性的的前提下，尽可能地减少车体的重量，能够有效提高燃油经济性，研究表示汽车减重对汽油以及电能消耗有很大的影响。近年来，汽车市场持续萎靡。如何通过新型材料在保证安全与性能的前提下尽量减少车辆质量[2-5]，被众多厂商一致认可。1.2国内外发展状况及发展趋势1.2.1国内现状中国的模具行业发展比较晚，从二十世纪七十年代末才开始起步。随着现代化工业的发展以及政府的大力支持下，产业的规模以及技术水平都有所提升，但是和工业较为先进的国家相比，中国仍存在较大的差距。模具行业作为现代工业的基础，模具技术涉及非常广泛的领域，如汽车、3C产品、机械、家电、航空航天等领域。根据数据显示，2017年中国塑胶制品行业规模企业的利润总额为近年最高，高达1,798.06亿元，图12015-2019年中国塑胶模具进出口额而2018年开始，受中美贸易战的影响，经济有所下滑，模具行业的收入也随之下降。而在2020年底，经过了一整年疫情影响底下，2020年度的模具行业规模企业利润总额为1,681.6亿元。中国模具行业通过对外新技术的参考借鉴，在其基础上，实现了制造工艺，生产效率的提高。借鉴海关公布的信息统计，我国2019年单年模具出口就达到了62.46亿美元，而进口仅为19.39亿美元，在所有模具分类中，塑料橡胶模具作为最大的模具进出口品种。2019年的塑料橡胶模具出口金额达到39.67亿美元[6]，图22015-2019年中国模具进出口额从数据中可以看出中国汽车模具和家电模具产品在世界经济贸易中占据很大一部分市场份额。塑料橡胶模具进口金额为8.70亿美元，说明中国塑料模具还有很大的发展空间。CAD/CAE/CAM普及率低，是面向制造的工程设计行业的痛病，提高企业产品自主开发能力和产品品质采取高新技术尤为重要。对于模具企业来讲，全三维CAD设计可有效提高模具设计的效率与品质，而CAE软体则可协助分析产品、模具设计的合理性并预测问题，以此减少试模次数。目前仍有许多企业使用传统的二维模具设计，这就会导致企业的设计能力和生产能力受到影响，进而竞争力和效益也会受到影响。在CAD/CAE技术得到普及的同时，CAE技术应用越来越广，整体看来我国模具发展还有很大的进步空间。结合周儒霖对于汽车内饰件注塑过程中的填充问题给出了合理选择原材料在其中加入润滑剂的解决方法；为了防止熔接痕的出现好，合理的设置浇口位置或者增加一定量的冷却穴。刘玉，张罗，申昱[7]借助MOLDFLOW软件对汽车内饰板的翘曲变形进行分析，在浇注系统和冷却系统不能改变的情况下，采用在注塑件四周挖槽并设置加强筋的方法，是注塑件翘曲量下降到0.61mm，满足制件变形量的要求。胡学川，李又兵[8]以某汽车前保险杠的注塑成型为研究对象，通过顺序控制热流道方法，结合正交试验得到的注塑工艺参数组合在实际生产中消除了翘曲变形、熔接痕缺陷。1.2.2国外现状美国国内大约有8000多家模具制造企业.其中15人以上的占据40%左右，由于工业化发展比我国开启时间早，已经进入世界前列的高新技术产业；德国主要根据客户需求量身定制产品的开发方案；日本主要以高超顶尖的技术经验将重点放在高级模具的制造与技术的提高中，极大程度的运用计算机控制的自动化加工方式[9]。Moldflow公司作为美国上市公司，是一家专门注重注塑CAE软件设计开发和咨询的公司。公司通过一直创新和专业的技术能力给塑料成型CAE软件市场良好发展奠定了良好的基础。近年来，这项技术已广泛应用在我们生活中的各个方面例如电器、生活用品、航空航天、轨道交通等领域并持续深化。[10]制造业企业对于CAE的认知度逐渐提升，通过CAE技术，在模具设计加工前利用电脑对注塑过程参数优化，对制品填充速度、压力时间进行改正，使模具设计人员不需要反复制模试模，就能得出模具设计参数最优解[11]不仅做到了传统模具制造方案的创新突破，还减少了模具反复制模造成的浪费，提高制品产量、降低生产材料成本，顺应国家节能减排的号召。塑料模具设计不仅要采用CAD技术，还要建立数据库供后期生产活动提供支持。目前，CAD具有完善的图形绘制和编制功能，对多种图形格式进行转化，还可以根据用户需求进行定制，市场上主流的CAD软件有AutoCAD、VectorworksCAD、MF、HighDesign2DCAD。[12]1.2.3发展趋势随着科技进步和先进制造技术的广泛应用，汽车轻量化是目前各企业的主流，塑料相对于其他材料，重量小，成型容易，可以一次成型形状复杂的零件；塑料耐腐蚀性强，塑料具有吸收噪音和衰减震动的作用，同时抗冲击性强，吸能。当前企业在模具设计实现设计标准化、数字化、自动化。建立内部数据库根据设计规则数据库的建立实现设计自动化。未来根据大数据分析，自动识别设计要素，利用软件实现智能设计[13]。2注塑成型工艺及CAE理论基础2.1注塑成型注塑成型是将塑料倒入注塑机加热料筒中，加热到熔融的流动状态，然后在一定的压力下由推进装置将熔体推挤到型腔中进行塑型冷却的加工工艺[14]。2.2注塑成型过程注塑成型工艺分为合模、填充、保压、冷却、开模、脱模六个阶段。2.2.1填充阶段注塑成型将颗粒状塑料经过加热至熔融状态通过注塑机喷射填充至腔体，高速填充时，当熔融塑料通过浇注口进行高速注射可以采用较小的压力使制品表面光滑，选用高速注射一般应用在壁薄、要求接缝不明显、收缩小的制品上。低速填充时，注射速度慢熔体流动速度均匀，制品的内外要求一致，但是因为充模时间长容易导致制品产生熔接痕使强度下降。随之而来因为流速慢导致熔体前端易冷却产生缺陷。注塑成型过程中温度的过高过低都会产生各种各样的缺陷，例如：龟裂，填充不足，毛边，褶皱熔接痕以及烧伤翘曲变形。当熔体喷出温度达不到工艺要求还未填充完整个型腔前端就已经凝固造成填充不足，温度过高又会使塑料过稀造成毛边烧伤[15]。一般而言，温度越高熔接的熔接痕强度越好，反之熔接强度较差。2.2.2保压阶段保压阶段是模具一直给制品提供一个恒压密闭的注塑条件，使熔体在冷却过程中不回流同时填充到其他因收缩导致材料不足的腔体中，在保压阶段，压力设置过大容易造成填充过度溢边，压力过小又会造成收缩过大产品凹陷、尺寸变小、产生气泡。需要补充浇口位置的料量，预防没有硬化的熔体因为压力产生倒流，在保压阶段，保压时间根据制品的厚度改变，在保证产品质量的前提下时间越短越好，避免因为压力升高造成模腔中塑件撑开模具，所以在选择注塑机时，要保证注射和保压过程中模具不会被顶开，在塑件不出毛边的前提下锁模力越小越好。2.2.3冷却阶段在注塑成型模具冷却过程中，冷却系统的设计至关重要。冷却系统贯穿整个工艺流程，优秀的冷却系统决定了塑件成型的时间、良品率，在模拟设计冷却系统的时候，需要根据制品的工艺条件选择合适的工艺参数。2.2.4脱模阶段制品经过注塑保压冷却到了脱模阶段，正确的脱模方式不仅可以提高生产效率，还能减少对模具的损坏，制品取出时也不会因为脱模工艺的不匹配在最后阶段功亏一篑。脱模的方式有：强制脱模手动脱模和机动脱模三种方式，强制脱模一般利用塑料本身的弹性将制品强制脱出，主要运用在精度要求不高的软塑料上；手动脱模利用专用工具或者手将制品从模具上脱出；机动脱模更为方便，利用顶杆或脱料板顶出，注意要选在制品强度刚度最大的地方，以免塑件变形损坏。同时要要注意脱模斜度对产品取出的影响，塑件在脱模后还需要进行修整去掉毛边以及多余的残留物。2.3注塑成型工艺参数2.3.1注塑压力注塑压力是为了克服熔体流动过程中遇到的阻力。熔体在压力的推动下通过注塑机的喷嘴均匀的流入模具型腔中。影响熔体填充压力的因素有熔体粘度、流动长度、流动速率以及制品厚度。制品壁薄选用压力高，反之壁厚压力小。2.3.2注塑时间注塑时间是指熔体通过注塑机喷嘴射满型腔所需要的时间，模具的开合以及熔化时间不在其内。任何模具都有最佳填充时间，熔体在螺杆中停留时间过长会造成塑料分解碳化，所以在熔胶充分的前提下减少注塑时间有利于保证产品质量，注塑时间一般控制在3秒以内保证生产效益。2.3.3注塑温度注塑温度是影响注塑压力的重要因素。温度升高，熔体粘度降低，当注射压力不变时，熔体凝固时间将变长收缩率降低，易造成毛边、烧焦、强度降低、分解。温度过低，熔体流动性差，容易造成填充不满、气泡、尺寸不符合要求等瑕疵，在注塑成型生产活动中，注塑温度往往比料筒温度高一些，所以在设计时要考虑进去，喷嘴温度比料筒前段温度要低一些，保证熔体能够均匀注满整个型腔，从加料段温度依次上升。2.4CAE理论基础一直以来，我国的注射模具设计都不及西方发达国家先进，还有很多企业一直停留在依靠经验感觉来设计模具，有很大的不确定性和运气成分，虽然我国也开始注重软件的研发，但是相较于先进国家还有很大的差距，我国对于CAE软件市场的机制不健全，往往是开发出来以后缺少维护和服务，导致企业会去选择专业性更好的国外软件。CAE是一个综合软件系统，通过计算机辅助对复杂工程进行分析模拟，CAE软件架构一般分为三个部分：前处理器（pre-processor）、有限元分析和后处理器（post-processor）。目前常见的注射模CAE技术就是根据熔体在注塑成型过程中填充、保压、冷却阶段，通过对注塑过程模拟判断出浇注口的大小位置以及数量；型腔内部的温度变化；熔接痕产生的位置；剪切应力的影响。通过CAE软件在计算机上对模具进行工艺参数的设计分析，可以减少反复试模修改带来的人工成本，材料成本，生产时间的浪费。从而提高企业生产设计时间，增加产品的经济效益。目前，国际上主流的CAE软件有：澳大利亚MOLDFLOOW公司的塑料注射成型流动分析软件moldflowplasticinsight。软件分为流动模拟程序（MF/FLOW）、翘曲分析程序（MF/WARP）、冷却分析程序（MF/COOL）即和应力分析程序(MF/STRESS)。[16]德国CAD/CAE软件CADMOULD。分为模具方案构思与设计软件、二维流动模型、三维流动分析、二维冷却分析和模具强度、刚度分析等。此外还有Moldex3D、国内CAXA、Z-MOLD、HSC等[17]目前国际先进的CAE软件具有静力线性分析、稳态和瞬态热分析、声场波的计算等等功能强大还可根据客户需求进行定制化服务和后续跟进开发。3汽车机罩盖板注塑模具设计3.1基于CAE技术的注塑模具设计流程注塑成型工艺里，模具的设计参数优化，对产品后续的生产，材料的选取，温度控制有重要的参考价值。利用CAD软件对制品进行模拟分析。考虑计算数据结果对模具结构、温度、注塑时间、压力、冷却对塑件的影响，根据计算结果对工艺参数进行修改，以达到利益最大化的要求。图3借助CAE技术的注塑模具设计步骤3.2汽车机罩盖板产品分析3.2.1塑件结构分析在注塑模具生产设计开始之前，先分析制品的使用要求，在产品具体使用情况和成型工艺符合计算机实验结果的条件下，改善制品的生产工艺复杂程度从而降低生产成本提高效益。3.2.2注塑机的选取注塑机是注塑过程中的重要设备，能做到控制额定注射量，注射压力，注射速度，符合制品工艺要求的锁模力，顶出形式以及行程要求，根据塑件要求选择适合的注塑量、锁模力、注塑压力以及喷嘴孔等。根据材料选择伊之密UN1000-IU9000注塑机。3.2.3建立分型面根据盖板形状、最大尺寸和生产量，分型面选择方便脱模和模具加工容易的最大截面轮廓上，尽量避免在圆弧表面或者光滑的平面上。3.2.4凸凹模尺寸设计汽车机罩盖板成型收缩率平均值、型腔径向尺寸平均值、型腔尺寸制造偏差平均值[18]，（3-1）公式中：∆-盖板公差；δc-注塑模具磨损量；δz-模具制造公差；As-塑件尺寸；Am-模具城型尺寸；S-平均收缩率。整理得型腔径向尺寸：（3-2）型腔深度尺寸计算公式：（3-3）型芯径向尺寸计算公式：（3-4）型芯高度尺寸计算公式：（3-5型芯之间等中心距尺寸计算公式：（3-6)3.3机罩盖饭模具需求3.3.1机罩盖板几何结构图4机罩盖板几何图机罩盖板几何结构尺寸约为398mm*348mm*25mm,制品的主体壁厚2.5mm，加强筋厚1.2mm。3.3.2成型材料选择汽车机罩盖板要有良好的耐热性和阻燃性因此选择含有30%玻璃纤维的AKROMID®A3GF30,其主要性能如图：图5物理特性3.3.3质量要求要求盖板拥有重量轻；表面没明显气纹、孔洞；制品翘曲变形量小于3mm，装配误差小于1.6mm。浇注系统的设计[19]浇注口数量和位置直接决定熔体从哪里注入模具型腔，根据材料的物理特性选择两个6mm浇注口并选择带针阀控制的热流道。主流道直径：(3-7)式中Q--熔体的体积流率CM3/Sn--熔体的非牛顿指数分流道尺寸：(3-8)冷却系统设计冷却的目的为了缩短生产周期，通过循环系统带走模具产生的热量，使制品温度快速均匀冷却下来，冷却回路设计遵循以下原则[20-23]：冷却水流量大，冷却孔要多及时带走热量使制品凝固。循环水路进水孔尽量设计在浇口附近，尽量保证冷水流向与熔体流向一致。冷却水管布局合理，冷却温度相差不宜过大。机罩盖模具整体结构根据前文设计要求得到模具完整装配图：图6发动机盖板整体结构1定位圈，2定位杆，3隔热板，4定模垫板，5热流道针阀驱动油缸，6驱动油缸冷却块，7中间板，8推动板，9及推杆固定板，10垫块，11推杆，12定模板，13定模镶件，14动模板，15动模垫板，16隔热板，17锁模块，18支撑杆，19垫块，20热流道板，21支撑杆，22主流道，23浇口套4基于正交试验设计工艺参数优化在注塑模具还不是很成熟的时候，塑件生产过程中会多次试模，不断改进注塑模具得到最优产品。然而这种生产方式已经不适合现代化设计要求，所以会采用正交试验设计优化工艺参数应对现代化生产的节奏。4.1正交试验数据分析方法4.1.1极差分析极差分析法计算简单，选取平均结果中最大值与最小值的差进行计算，分析结果，数值越大，离散程度越高[24]。(4-1)式中n--各因素每个水平次数4.1.2方差分析方差分析是推断各因素变量对结果的影响，各实验数据进行离散，计算出每个单独的因素在总离散中占据的程度。对实验数值进行更加准确确的判断和研究，从而得到更加准确地数据。4.2机罩盖板正交试验设计4.2.1优化目标及影响因素为保证产品质量，制品选择塑件最大翘曲量作为试验因素，选出五个因素作为试验参考数据：熔体温度、模具温度、SCF含量、填充时间、保压压力。进行数据计算。4.2.2试验水平的选取以及正交表的设计根据前文分析结果，本次正交试验选取5个试验因素忽略其互相影响，均匀选区四个水平，经过分析对比，各试验因素选取如下：图7正交设计表依照正交表，依次用MOLDFLOW模拟各组数据得到如图：图84.3正交试验显示结果分析正交试验结果用极差分析法分析[25]，翘曲量极差分析如表图9通过图9正交试验效果图得到溶体温度、模具温度、SCF含量、填充时间、保压压力对塑件翘曲量的影响程度，分析各因素对结果的影响得到工艺参数为A1B1C4D4E1：溶体温度280℃、模具温度90℃、注射填充时间2.3S、SCF含量0.5%保压压力5MPa。图10结论随着塑料行业的快速发展，注塑产品应用越加广泛，为响应国家节能减排的号召，汽车轻量化得到更多厂商的重视，塑料在汽车上的大量应用。本文研究汽车机罩盖板注塑成型工艺及参数优化，采用正交设计法研究成型条件对翘曲量的影响得到以下结论：1通过选择合适的浇注口位置和数量，配合合适的成型工艺使制品达到重量轻、强度好、耐热性优秀的工艺要求。利用MOLDFLOW注塑模拟，找到盖板最佳浇注口，确定最佳浇注口区域；设计合理冷却系统选择冷水管直径10mm。设计正交试验，以选取的5个试验因素进行模拟，得到翘曲量准确值，选择合适的工艺组合A1B1C4D4E1,即：溶体温度280℃、模具温度90℃、注射填充时间2.3S、SCF含量0.5%保压压力5MPa。本文完成了汽车机罩盖板模具的设计与工艺参数优化，但由于本人水平有限在整个研究过程中还存在着一些问题和不足的地方，例如在从注塑成型过程中影响产品质量因素有很多，可以在后续的研究工艺参数优化中选取其他试验因素进行试验，从而提高机罩盖板的整体质量。由于MOLDFLOW软件不能进行自动修改工艺参数进行模拟，可以尝试对其进行二次开发，让使用者更加方便快捷。参考文献[1]姜超.汽车内饰开发过程中的风险分析与评价[D].2015.[2]刘朝福，刘建伟，何玉林.基于正交试验的PP车门内饰板注塑工艺参数优化[J].合成树脂及塑料，2015，v.32(01):54-57.[3]谢鹏飞.汽车仪表盘装饰面板注塑模块设计及其工艺参数优化[D].安徽工程大学，2019.[4]李德群，唐志玉.中国模具设计大典--第二卷轻工模具设计.南昌：江西科学技术出版社，2003.[5]我国模具CAD/CAM技术的现状及发展趋势研究[J].汪文虎,刘晓辉,张军.

模具技术.

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